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第六章 粘性流体管内流动 §6.1 粘性流体的两种流动状态 §6.2 管内流动的两种损失 §6.3 流体在管内的层流流动 §6.4 流体在管内的湍流流动 §6.5 沿程损失系数的实验研究 §6.6 局部损失系数 §6.7 管路的水利计算 本章基本要求、重点及难点如下： 基本要求：熟悉雷诺实验，掌握层流、紊流的流动特点及二者的判据；掌握粘性流体总流的Bernoulli方程的适用条件及应用，流体在圆管内的层流流动和紊流流动的特点、区别；掌握尼古拉兹实验；掌握管道的水力计算。 重点：粘性流体总流的Bernoulli方程的适用条件及应用、掌握尼古拉兹实验、管道的水力计算。 难点：流体紊流流动的特点、规律，管道的水力计算。 引言 不可压缩粘性流体内流 6.1粘性流体的两种流动状态：层流和紊流 流动状态不同，产生阻力的方式及阻力大小就不同，因为流动机构不同，将导致附面层性质，流速分布不同，从而阻力不同，英国物理学家雷诺于1883年发表实验成果： 指出：⒈自然界中的流体流动有两种不同的流态：层流和紊流； ⒉测定了流动损失与这两种流动状态的关系。 6.1.1雷诺实验 装置及实验步骤、结果 图解说明：1.水箱：水面高度不变 2玻璃管：水流为稳定流 3阀门：调节管中水流速度 4颜色水箱：装有与水重度相同的有色液体 5细管 6量筒 实验步骤： 微开阀们3： 现象：呈现一层一层的分层流动状态，流体只有轴向运动无横向运动，各层间互不干扰→层流 再开大阀们： 现象：流动不仅有轴向运动，也有横向运动成波浪形，层流状态已被破坏，有动量交换的趋势→过渡 扩大阀门： 现象：层流完全破坏，流体呈现出不规则的紊乱的碰撞→紊流。 6.1.2流态的判别 临界速度 ： 上临界速度：随着速度增大，水流由层流过度到紊流时的速度； 下临界速度：随着流速降低，水流由紊流又转为层流的流速； 实验表明：。 判断层流，紊流状态： 紊流 层流 过渡 雷诺数 ?Re如何引入： 临界速度随着流体 和流体流过的管径变化，雷诺通过大量实验发现：不同管径d ,不同的流体物性（）流体在时组成无因次数群： 圆管中的临界雷诺数： =2300(or 2000) 下临界Re =13800 上临界Re 当Re时，流动为层流，否则为紊流。 雷诺通过实验知：下临界雷诺数为一定值，而上临界雷诺数与实验遇到的外界扰动有关。所以一般以下临界雷诺数判别流态，即 Re2300时，管中是层流； Re2300时，管中是紊流； Re=2300时，管中是临界流。 ?任意截面管道中的临界雷诺数 Re物理意义：反映的是Re=惯性力/粘性力 的比值。 结论：粘性力起主导作用时为层流，如紊流中的层流底层。 惯性力起主导作用时为紊流。 层流定义：沿流动方向上质点无垂直横向的随机脉动，流体分层运动的流动状态。 紊流定义：其流动结构的特点与层流的不同，流体质点作大尺度的运动外，还在各个方向做微小范围内的随机脉动。 6.2管内流动的两种损失 流动阻力：流体由于粘性，层与层之间，层与固壁间产生摩擦切应力，阻碍流体流动，形成的阻力叫流动阻力。 能量损失（阻力损失）：为维持流体流动，需要克服阻力而消耗的能量叫能量损失。 过程有可能克服摩擦阻力，还可能克服弯道，阀门等阻力。 分两类：①沿程阻力：克服沿程阻力消耗能量为沿程阻力损失； ②局部阻力：克服局部阻力消耗能量为局部阻力损失。 1、沿程损失与沿程阻力 定义：是在管截面不变的直管段（缓变流），由于流体粘性以及管壁的粗糙度使得流体与管壁以及流体之间存在摩擦力，沿程阻碍流体的流动称为沿程阻力，克服沿程阻力而消耗损失称为沿程损失。 表示形式： 单位重量流体的沿程损失→沿程水头损失，m液柱 单位体积立体的沿程损失→沿程压降损失 ，N/m2。 式中 ——沿程阻力系数，影响因素 ?公式形式及 值确定： 层流： 与 无关 （理论计算） 紊流： 实验测定。 2、局部阻力和局部损失 ?定义：当流体流过阀门，折管，弯头，三通阀，变截面的管件等管的配件时，由于流径这些局部区域，流速大小和方向被剧烈变化而发生碰撞；旋涡等现象，由于粘性作用质点间进行剧烈摩擦和动量交换，阻碍流体流动，局部地区（发生急变流）而产生的阻力成为局部阻力。克服局部自立消耗的能量为局部损失。 ?表示形式： 单位重量流体的局部阻力损失→局部水头损失； 单位体积流体的局部阻力损失→局部压降损失 。 影响： 及 大小完全取决于局部